IX. LA FUSIÓN CATALIZADA POR MUONES

UNA VEZ revisados los diferentes métodos existentes para tratar de conseguir la fusión termonuclear controlada, falta por tratar el que no tiene como base lo termonuclear. Este otro enfoque no emplea la energía térmica de las partículas para que dos núcleos se junten y se fusionen, por lo que hace innecesarias las altas temperaturas; de hecho, se puede dar a la temperatura ambiente, por lo que se le llama también fusión fría. Como ya mencionamos, la posibilidad de producir fusión fría viene de la existencia de una partícula elemental de la familia del electrón llamada muon o mesón-m. Los muones no aparecen como constituyentes de la materia como los electrones, pues son partículas inestables que tienen un tiempo de vida muy corto, y por lo tanto decaen poco después de haberse formado. El muon aparece al decaer otra partícula subnuclear llamada pion o mesón, p . El pion es la partícula que transmite las fuerzas nucleares de un nucleón a otro, en forma semejante a como los fotones transmiten las fuerzas electromagnéticas. Como partícula libre decae rápidamente, dando lugar a un muon. Los muones se encuentran de manera natural en los rayos cósmicos secundarios, ¹⁸ sobre todo a nivel del mar, pues interactúan muy poco con la materia, y pueden atravesar toda la atmósfera sin perderse. También pueden crearse artificialmente haciendo chocar un haz de iones energéticos con un material cualquiera. Hay muones positivos y negativos, ambos con las mismas características. Su masa es 207 veces la masa del electrón, y la magnitud de su carga igual a la del electrón. Su tiempo de vida es muy corto, tan sólo 2.2 microsegundos, después de lo cual decae en un electrón (o positrón, según la carga del muon), un neutrino (otra partícula de la familia del electrón pero neutra y aparentemente sin masa) y un antineutrino (partícula con propiedades opuestas al neutrino). El muon negativo es el que permite tener fusión catalizada.

La idea de la catálisis por muones consiste en introducir estas partículas en una cámara que contiene un gas de deuterio y tritio, formándose moléculas sumamente compactas en las que la separación entre dos núcleos es muy pequeña. Estos núcleos, entonces, se pueden fusionar expulsando los muones que los mantenían juntos, los cuales pueden ir a catalizar otras reacciones de fusión. El gran problema resulta de la vida tan corta de los muones, pues antes de decaer deben de ser capaces de catalizar suficientes reacciones como para que mínimamente se recupere la energía invertida en crearlos, lo cual es difícil. La fusión catalizada no está limitada a la temperatura ambiente; también puede darse en hidrógeno líquido o sólido, estados que se alcanzan a temperaturas extremadamente bajas (-260ñC = 13 ñK), o en gases muy calientes, pero que no estén totalmente ionizados. De hecho, la mayor eficiencia se tiene a altas temperaturas (900ñ C). Se cree que el uso de los muones como catalizadores de fusión sólo será útil en la reacción deuterio-tritio, pues las otras son demasiado lentas para el tiempo de vida del muon. En este enfoque la cantidad que equivale al tiempo de confinamiento de energía usado en fusión termonuclear, es el tiempo de vida media del muon, pues es éste el que limita la producción de energía. Como este tiempo es fijo, una condición análoga al criterio de Lawson se debe establecer sobre el número de reacciones catalizadas por muon.

Para entender el proceso de fusión catalizada describiremos las etapas por las que pasan las moléculas y los muones desde que éstos son introducidos hasta que se da la fusión. Antes de la aparición de los muones se tienen moléculas ordinarias, formadas por dos núcleos unidos por electrones que giran alrededor de ellos. En una mezcla de deuterio y tritio algunas moléculas consisten de dos átomos de deuterio, algunas otras dedos átomos de tritio y otras de un átomo de deuterio y uno de tritio. La separación de equilibrio entre los núcleos es muy grande (unas 30 000 veces el radio del núcleo), y está determinada por el tamaño de las órbitas de los electrones. Al ser introducido un muon negativo que viaja gran velocidad (como aparece al ser creado) se va frenando debido a las colisiones con los electrones de las moléculas. Por lo regular, los choques sacan a los electrones de sus órbitas, de modo que cuando ya los muones se mueven lo suficientemente lento, son capturados por las móléculas, ocupando el lugar de los electrones. La diferencia es que la órbita del muon es más pequeña, puesto que su tamaño, de acuerdo a la dinámica atómica, es inversamente proporcional a la masa de la partícula orbitante, por lo que el muon gira 200 veces más cerca del núcleo que el electrón. Así, al ser capturado el muon, éste empieza a girar alrededor de uno de los núdeos muy cerca de él, y esta unión se separa del otro núcleo, con lo que la molécula se rompe y el muoátomo (núcleo más muon) queda libre. El núcleo del muoátomo puede ser de deuterio o de tritio, pero como el tritio es más masivo, liga mejor al muon, así que normalmente los muones atrapados por el deuterio son transferidos a los núcleos de tritio en las colisiones. Toda la etapa, desde la introducción de los muones hasta la formación de los muoátomos de tritio, tarda menos de un milésimo de la vida del muon.

En la segunda etapa, los muoátomos, que se comportan como una sola partícula neutra, penetran las nubes de electrones de las moléculas, y al acercarse al núcleo de deuterio de ellas se combinan para formar muomoléculas ionizadas; la particularidad de éstas es que, al ser las órbitas de los muones mucho más pequeñas que las de los electrones, la separación entre los núcleos es menor por un factor igual a la razón de las masas, o sea, unas 200 veces. Aunque la distancia entre los núcleos de deuterío y tritio es todavía del orden de 100 veces el radio del núcleo, ya puede ser importante el efecto de penetración de barrera mencionado en el capítulo II, y producirse la fusión. En la figura 31 se muestra esquemáticamente el ciclo de reacción de un muon.

Figura 31. Esquema del ciclo de reacción de un muon al actuar como catalizador. Primero forma muoátomos (md o mt) que luego se combinan para crear muomoléculas, en las que se produce la reacción de fusión, y el muon puede quedar libre (no siempre) para volver a repetir el ciclo.

El ion muomolecular compacto puede quedar alojado dentro de la molécula ordinaria, quedando en el lugar del núcleo con el que se combinó. Así los electrones mantendrán unidos al ion muomolecular y al núcleo restante. La presencia de los electrones de la molécula es esencial para la formación de la muomolécula pues absorben la energía de la que necesita deshacerse esta última para quedar estable. El exceso de energía es debido a la energía de enlace entre los núcleos, que es análoga a la que se tiene entre los nucleones dentro de un núcleo, como se describió en el capítulo II, pero de mucho menor magnitud. El problema con este mecanismo de formación es que es demasiado lento, y sólo le da tiempo a un muon de catalizar una sola reacción antes de decaer. Afortunadamente, se descubrió que existe otro mecanismo de formación de la muomolécula mucho más rápido, y que puede darse bajo ciertas condiciones; consiste en seleccionar las energías de las partículas del gas de modo que la energía de enlace de la muomolécula pueda ser absorbida por la vibración de la molécula anfitriona. La vibración de una molécula es como si los dos núcleos (o en nuestro caso, un núcleo y el ion muomolecular) estuvieran unidos por un resorte, con la diferencia de que, según la mecánica cuántica, solamente pueden oscilar en ciertas frecuencias específicas. Por lo tanto, para que el exceso de energía pueda ser absorbido por la vibración, debe de coincidir con alguno de los estados de oscilación permitidos, para lo cual el muoátomo y el núcleo de deuterio deben tener las energías cinéticas apropiadas, que se pueden ajustar por medio de la temperatura del gas.

Esta manera de absorción de energía se llama resonante, porque se da cuando se iguala un valor específico de la energía de oscilación. Inicialmente se pensaba que la absorción resonante no era posible porque la energía de enlace de la muomolécula es mucho mayor que las energías de vibración de una molécula ordinaria. Sin embargo, posteriormente se encontró que existe un estado de enlace muy débil en la muomolécula, con energía comparable a la de la vibración, y éste es el que adopta cuando se forma. La muomolécula ionizada así formada tiene sus núcleos muy separados por tener un enlace débil, pero inmediatamente cae a un estado bien ligado, de mayor energía, con los núcleos más juntos. El exceso de energía entre los dos estados se lo llevan los electrones. Todo el proceso es relativamente rápido, pudiéndose lograr que un muon sea capaz de catalizar unas 150 reacciones antes de decaer. Con estas cifras es posible pensar en llegar a obtener suficiente energía de las fusiones, como para reponer la que se invierte en crear los muones (que es bastante) y tener todavía un exceso grande disponible para cualquier uso.

Hay aún otro obstáculo en el camino hacia la producción eficiente de energía. Cuando los núcleos de la muomolécula reaccionan, los productos de la fusión, que son una partícula a y un neutrón, se escapan a gran velocidad de la molécula anfitriona, mientras que el muon queda generalmente libre para catalizar más reacciones. Sin embargo, en algunas ocasiones, las partículas a capturan al muon, formando una especie de muoátomo de helio ionizado, con lo cual el muon ya no puede catalizar más reacciones. Cuando el muon queda atrapado, todavía hay posibilidades de que se libere a través de las colisiones con otras moléculas del gas, ya que el muoátomo de helio se mueve rápidamente. Se ha encontrado experimentalmente que una fracción considerable (de 30 a 40%) de los muones que inicialmente se unen a una partícula a, son arrancados por choques, y pueden continuar con el ciclo de reacciones. Los que permanecen ligados después de que el ion muoatómico de helio se ha frenado hasta llegar a la velocidad térmica, ya no pueden ser utilizados. Hasta el momento no se sabe bien cuál es la probabilidad de que un muon quede atrapado por una partícula a y de que permanezca unido a ella, ya que el proceso todavía no está bien entendido teóricamente, y además los cálculos son muy complejos. Algunas de las predicciones teóricas que se han hecho difieren de los valores experimentales.

La frecuencia con la que se pierden los muones de la cadena de reacciones es la que finalmente determinará si el proceso de fusión catalizada puede ser eficiente o no. Recientemente se ha podido reconciliar en cierta medida la teoría con los experimentos (en especial a baja densidad), obteniéndose que puede haber más de 150 catálisis por muon, en promedio, tomando ya en cuenta los muones que se pierden definitivamente. Estos números dependen de la densidad, la temperatura y la proporción de deuterio a tritio en el gas. Los experimentos actuales usan densidades semejantes a la densidad del deuterio líquido, pero si se aumentan el número de reacciones crece. Se espera que en un nuevo experimento de alta densidad que se está construyendo se llegue a tener aproximadamente 300 reacciones por muon. Aunque es un número considerable, podría no ser todavía suficiente para recuperar la energía usada en los aceleradores de partículas que se emplean para crear los muones; con los métodos actuales de creación de muones se necesitarían alrededor de 1000 reacciones por muon, para empezar a ganar energía. Por el momento parece necesario hacer dos cosas para dar esperanzas a la fusión fría. 1) mejorar la eficiencia de producción de muones para bajar los requerimientos sobre el número de catalizaciones por muon; o 2) encontrar mecanismos para disminuir la frecuencia de adhesión del muon a la partícula a, y así aumentar el número de catalizaciones por muon; con respecto a esto último, se está estudiando la influencia de un campo magnético sobre la captura de muones que podría ser una manera de disminuirla.

Una propuesta de reactor comercial de fusión fría que puede construirse con la tecnología actual consiste en un recipiente de reacción lleno de un gas de deuterio y tritio. Los muones se crean dirigiendo un haz de iones, proveniente de un acelerador de partículas, hacia un blanco hecho de una substancia como el carbono o el litio. El haz resultante de muones se introduce en el recipiente y aquellos empiezan a catalizar reacciones de fusión. El helio producido por las reacciones se extrae con un purificador, mientras que los neutrones llegan a las paredes y chocan con un cobertor de litio, donde depositan su energía y además producen tritio. El tritio es conducido nuevamente hacia el interior del recipiente para ser utilizado en reacciones posteriores. El calor generado en el cobertor se retira por medio de un enfriador y se utiliza para activar turbinas y generadores de electricidad. Parte de esta electricidad se utilizaría para hacer funcionar los aceleradores de iones, y los demás aparatos del reactor, y el resto se podrá distribuir al público. Una variante de este esquema es que los iones del haz primario se introduzcan directamente dentro del recipiente de reacción, donde producirían piones que serían confinados por un espejo magnético en la misma cámara, y generarían los muones. De esta manera no sería necesario transportarlos del acelerador al recipiente. Además, los muones también se confinarían magnéticamente minimizándose así sus pérdidas, y reduciría la energía de creación por muon.

En el estado actual de investigación sobre la fusión catalizada por muones, parece difícil quede este modo se pueda lograr un método eficiente de producción de energía, pues se necesitan mejoras substanciales en los parámetros obtenidos hasta ahora. Sin embargo, no puede descartarse como alternativa viable, porque las mejoras en los aceleradores y la búsqueda de mecanismos para aumentar el número de reacciones por muon, pueden llegar a resolver los problemas en algún momento. También se ha propuesto el uso de reactores híbridos de fusión-fisión (que son descritos en el último capítulo de este libro) catalizados por muones para alcanzar una ganancia positiva de energía.